FR2583834A1 - Dispositif de fixation du genre rivet en polymere en cristal liquide a forte resistance au cisaillement et a l'etirement et a coefficient de dilatation thermique lineaire sensiblement negatif - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE FIXATION, D'UNE SEULE PIECE EN UN POLYMERE EN CRISTAL LIQUIDE THERMOTROPIQUE COMPORTANT UNE TETE 3 ET UNE TIGE AXIALE RELATIVEMENT RIGIDE 2 APTE A ETRE INTRODUITE DANS L'OUVERTURE D'UNE PIECE D'USINAGE, CARACTERISE PAR UNE RESISTANCE AU CISAILLEMENT D'AU MOINS ENVIRON 700KGPCM, UNE RESISTANCE A L'ETIREMENT D'AU MOINS 1400KGPCM ET UN COEFFICIENT DE DILATATION THERMIQUE LINEAIRE SENSIBLEMENT NEGATIF.

Description

Dispositif de fixation du genre rivet à forte résistance au cisaillement

et à l'étirement et à coefficient de dilatation

thermique linéaire sensiblement négatif.

L'invention concerne des dispositifs de fixation et plus particulièrement de nouveaux rivets, vis, boulons, clous et analogue. Cette invention procure de nouveaux systèmes de fixation du type mentionné, qui sont faits d'un polymère en cristal liquide thermotropique. Les dispositifs de fixation selon l'invention trouvent leur application et procurent des avantages dans un grand nombre d'utilisations.Les propriétés les plus remarquables des dispositifs fabriqués selon la présente invention réservent et offrent des solutions à de nombreux

problèmes de fixation. Un problème particulier est rencon-

tré dans l'industrie aéronautique.

Un problème très ennuyeux et grave concernant l'industrie aéronautique aujourd'hui est la fixation efficace des matériaux de revêtement structurel des avions, spécialement les toles en alliage d'aluminium à haute résistance, les tôles en titane, et les tôles composites renforcées aux fibres de carbone. Les problèmes concernent la corrosion et/ou l'exfoliation des matériaux constituant le revêtement structurel de l'avion à partir des trous

recevant le dispositif de fixation. Bien que ne le concer-

nant pas exclusivement, la plupart des problèmes peuvent

être attribués au rivet en soi.

Par exemple, pour fixer des feuilles d'aluminium, les rivets en titane ou en alliage titane/niobium ont été substitués au Monel pour gagner du poids, mais le titane ou les alliages au titane s'avérèrent accroître le taux de corrosion de l'aluminium particulièrement dans des environnements à projection de sel, et la corrosion galvanique accélérée de l'aluminium se produit et peut provoquer un descellement de la liaison. En outre, le titane peut absorber l'hydrogène de l'action galvanique et des hydrides peuvent se former qui occasionnent la

rupture du rivet.

Si des tôles de titane doivent être fixées, on ne peut pas utiliser de rivets en aluminium bien qu'ils soient faciles à poser et légers, parce qu'ils se corrodent trop rapidement dans le titane qui est plus

pur. Les rivets en Monel sont utilisés pour leur résis-

tance élevée au cisaillement, mais ils sont plus lourds par rapport au poids des tôles et sont plus difficiles à fixer et déforment les toles minces lorsqu'on les

utilise. Lorsqu'on utilise des rivets en titane ils pro-

voquent également des déformations inacceptables de la tôle quand elle est mince et sont très difficiles à mater

car ils nécessitent des pistolets à rivets et des contre-

masses plus lourds ce qui provoque une fatigue plus grande de l'opérateur (ce qui est un facteur important) et de plus ils sont difficile à placer dans des endroits

d'accès difficile o les contre-masses d'une forme insa-

tisfaisante doivent être employées.

Disposer un revêtement métallique sur les rivets ou peindre la surface extérieure de l'avion ne supprime pas ces difficultés. Lorsque les trous pour les fixateurs sont percés ou estampés dans les membrures ou plaques devant les recevoir, le revêtement ne procure plus de

protection désirée pour la surface de l'alliage métalli-

que de base à forte résistance qui est alors exposé dans les parois des trous. L'humidité s'infiltre ou est attirée entre les surfaces en affleurement ou évite les fixateurs et les parois des trous là o la matière du matériau structurel ou des tôles a été mise à nu lors

du perçage ou estampage.

Avec des revêtements à la peinture, lorsqu'ils

sont appliqués sur les surfaces extérieures, la pénétra-

tion de l'humidité peut être retardée ou différée quelque peu, mais lorsque le revêtement vieillit, il commence a

craquer ou se cloquer autour des têtes des fixateurs.

Ceci donne à l'humidité directement accès aux zones critiques à nu dans les parois des trous. Dans l'un et l'autre cas, bien que la peinture ait tout d'abord été recommandée parce qu'elle apporte une certaine protection

temporaire, on s'est aperçu que l'humidité pouvait éven-

tuellement pénétrer et que la corrosion et l'écaillement

pouvait se produire.

La mise en place de fixateurs avec unprimer

au chromate humide de zinc ou avec un produit d'étanchéi-

té non vulcanisé de réservoir de carburant a également été utilisé mais on n'a pas réussi à obtenir le résultat désiré et en particulier cela ne résoud pas le problème de la continuité non-électrique et des variations de température. La résistance aux solvants chimiques est d'une

importance capitale pour les fixateurs en matière plas-

tique. Par exemple, de la méthyléthylcétone (MEC) est

utilisée avant de peindre l'avion et des composés ana-

logues ou des apprêts de peinture provoquent beaucoup de problèmes à cause de leur effet corrosif et dissolvant

sur les matériaux de fixation usuels en matière plastique.

Dans les brevets US 3 642 312 et 4 107 805 on a tenté de résoudre le problème de la corrosion que l'on rencontre lorsqu'on utilise des rivets en aluminium en

fabriquant un rivet en alliage d'aluminium à haute résis-

tance et en n'appliquant un léger revêtement d'aluminium qu'à l'extérieur; toutefois, les rivets qui en résultent ainsi que leur procédé de fabrication laissent beaucoup à désirer parce que les procédés de revêtement sont onéreux et ne présentent pas les caractéristiques

désirées contre la corrosion.

L'utilisation de moyens de fixation en matière plastique, aussi bien que recouverts de matière plastique ont été également étudiés. Par exemple, le brevet US 2 510 693 décrit un élément de fixation en plastique renforcé qui est fabriqué avec une matière plastique à l'intérieur de laquelle sont disposées des fibres de renfort. Les dispositifs sont formés à partir de pièces qui peuvent avoir la forme d'une tige de matière plastique

pleine ou creuse, munie de fibres de renforcement conti-

nues s'étendant sensiblement longitudinalement jusque

dans la tête desdits fixateurs.

Le brevet US 3 076 373 décrit des fixateurs en filaments de plastique renforcé avec des fils métalliques, tels que des agrafes afin de résoudre le problème de la

corrosion. Ces derniers comportent des moyens de renfor-

cement en acier ou en metaux non ferreux disposés à

l'intérieur d'une pièce en plastique. La pièce en plasti-

que est un matériau thermoplastique avec des propriétés de fluage à froid, tel que le nylon et le propylène qui

est coextrudé à travers une filière d'extrusion appro-

priée pour donner la section désirée et également pour orienter moléculairement le plastique de façon à procurer une résistance accrue à la traction dans la direction longitudinale du filament, aussi bien que pour réaliser

une liaison ferme avec des fils métalliques de renfort.

Le brevet US 3 252 569 décrit un clou à revête-

ment thermoplastique dans lequel le matériau thermoplas-

tique tel qu'un nylon ou une résine acrylique est liée à une âme en fils métalliques par passage à travers une filière d'extrusion appropriée de façon à orienter les molécules à longue chaîne de la matière plastique et pour impartir une disposition appropriée en parallèle à l'axe d'extrusion plutôt qu'une disposition aléatoire d'une

matière plastique non orientée.

C'est donc l'objet de la présente invention de réduire ou de supprimer les problèmes du type exposé ci-dessus. Un autre objet de l'invention est de procurer un dispositif de fixation qui réduise le poids et la charge mais procure des propriétés physiques et chimiques avantageuses. Un autre objet de l'invention est de procurer un dispositif de fixation qui soit facile à fabriquer et présente néanmoins les propriétés physiques et

chimiques désirées.

L'invention sera mieux comprise au moyen d'un exemple de réalisation représenté sur le dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente le mode de rupture au

cisaillement, effectué en test de résistance au cisaille-

ment, d'un dispositif de fixation, la figure 2 représente une section partielle de la tige d'un dispositif de fixation extrudé qui présente la structure en polymère de l'extrudat, selon la présente invention, la figure 3 représente une section partielle de la tige d'un dispositif de fixation moulé par injection, qui présente la structure du polymère moulé selon la

présente invention.

On a découvert qu'un dispositif de fixation, par

exemple un rivet, un boulon ou analogue, peut être fabri-

qué à partir d'un polymère en cristal liquide thermotro-

pique, et l'article qui en résulte est caractérisé par une résistance au cisaillement d'au moins environ 700 kgp/cm2 (soit 700 à 3 500 kgp/cm2 et au-delà), une résistance à la traction d'au moins 1 400 kgp/cm2 (soit de 1 400 à 7 000 kgp/cm2), un coefficient de dilatation thermique linéaire qui est sensiblement négatif, c'est-à-dire -5 d'environ 0 à -3 x 10 5 (cm/cm C) et une résistance chimique extrêmement élevée à l'égard d'une grande

variété de produits corrosifs.

De façon avantageuse, le dispositif de fixation possède une peau fortement orientée, ce qui augmente ses avantages. Le polymère en cristal liquide thermotropique

utilisé à une viscosité propre comprise entre 1 et envi-

ron 15 dl/g lorsqu'il est dissous dans une concentration d'environ 0,1% en poids de pentafluorophénol à 60 C et il peut être fabriqué à partir d'un polyester entièrement aromatique, d'un polyester aromatique- aliphatique, d'un

poly(ester-amide) entièrement aromatique, d'un poly(ester-

amide) aromatique-aliphatique, d'une polyazométhine aro-

matique, d'un polyester carbonate aromatique, etc.. et de leurs mélanges, de préférence le polymère en cristal liquide est un polyester entièrement aromatique, un poly

(ester)amide) entièrement aromatique, ou un poly(ester-

amide) aromatique-aliphatique ou leurs mélanges.

Le polymère à partir duquel les dispositifs de fixation sont formés, doit être un polymère en cristal

liquide thermotropique qui a un poids moléculaire appro-

prié pour pouvoir être mis en forme par moulage par

injection ou par extrusion à l'état fondu ou analogue.

De tels polymères en cristal liquide thermotropique sont connus mais jusqu'à présent n'ont pas été considérés comme adaptés à la fabrication de dispositifs de fixation montrant les propriétés physiques et chimiques décrites ci-après. Comme on le sait en technologie des polymères, un polymère en cristal liquide thermotropique présente

une anisotropie optique en fusion. Le caractère anisotro-

pique du polymère fondu peut être confirmé par des tech-

niques conventionnelles à lumière polarisée dans lesquelles des polariseurs croisés sont utilisés. De façon plus spécifique, la nature anisotropique de la phase de fusion peut être confirmée de façon satisfaisante en utilisant un microscope polarisateur de Leitz avec un grossissement

de 40x avec l'échantillon à l'état chaud et sous atmos-

phère d'azote. La quantité de lumière transmise change lorsque l'échantillon est forcé à fluer; toutefois l'échantillon est optiquement anisotrope même à l'état statique. Au contraire, les polymères pouvant être traités à l'état fondu typiques ne transmettent la lumière à aucune degré sensible lorsqu'on les examine dans des

conditions identiques.

Les classes représentatives de polymères, dans lesquelles on peut sélectionner le polymère en cristal liquide thermotropique satisfaisant pour être utilisé dans la présente invention, comprennent des polyesters

entièrement aromatiques, les polyesters aromatiques-

aliphatiques, les poly(ester-amides) entièrement aroma-

tiques, les poly(ester-amides) aromatiques-aliphatiques, les polyazométhines aromatiques, les polyesters-carbonates

aromatiques et des mélanges de ceux-ci. Dans des réali-

sations préférentielles, le polymère en cristal liquide thermotropique est un polyester entièrement aromatique, un poly(ester-amide) entièrement aromatique, ou un poly (ester-amide) aromatique-aliphatique. Dans de tels polyesters entièrement aromatiques ou poly(ester-amides) entièrement aromatiques, chaque partie présente dans la

chaine du polymère comprend au moins un anneau aromatique.

De même il est préférable que des parties naphtalène

soient inclues dans le polymère du cristal liquide ther-

motropique, par exemple du 6-oxy-2-naphtoyle; 2,6-dioxy-

naphtalène; ou2,6-dicarboxynaphtalène, à une concentra-

tion à 10 moles %. La partie naphtalène, particulièrement préférée pour être inclue dans le polymère à cristal

liquide thermotropique est le 6-oxy-naphtoyle.

Les polyesters entièrement aromatiques qui

présentent les propriétés de cristal liquide thermotro-

pique comprennent ceux décrits dans les brevets américains suivants, donnés à titre de référence:

3 991 013; 3 991 014; 4 066 620; 3 067 851; 4 075 262;

4 083 829; 4 093 595; 4 118 372; 4 130 545; 4 146 702;

4 153 779; 4 156 070; 4 159 365; 4 161 470; 4 169 933;

4 181 792; 4 183 895; 4 184 996; 4 188 476; 4 201 856;

4 219 461; 4 224 433; 4 226 970; 4 230 817; 4 232 143;

4 232 144; 4 238 598; 4 238 599; 4 238 600; 4 242 496;

4 245 082; 4 245 084; 4 247 514; 4 256 624; 4 265 802;

4 267 304; 4 269 965; 4 279 803; 4 299 756; 4 294 955;

4 318 841; 4 337 190; 4 337 191; et 4 355 134.

Comme cela sera exposé ci-après le polyester entièrement aromatique du brevet US 4 161 470 est celui

qui est utilisé de préférence.

Les polyesters.aromatiques-aliphatiques qui présentent des qualités de cristal liquide thermotropique sont des copolymères de polyethylene téréphtalate et d'acide hydroxybenzoîque tels que décrits dans l'article

intitulé "Polyester thermoplastique X-7G-A à auto-renfor-

cement" de W.J. JACKSON Jr., H.F. KUHFUSS et T.F. GRAY Jr., 30 th Anniversary Technical Conférence, 1975 Reinforced Plastics/composites Institute, The Society of the Plastic

Industry Inc., Section 17-D, pages 1 à 4. De tels copoly-

mères peuvent également être trouvés dans "Liquid Cristal

Polymers: Preparation and propreties of p-Hydroxyben-

zoTc Acid Copolymers",Vol. 14, pages 2043 à 2058 (1976) par W.J. JACKSON, and H.F. KUHFUSS. Voir également les

brevets US 4 318 842 et 4 355 133.

Les poly(ester-amides) entièrement aromatiques et aromatiquesaliphatiques qui présentent des propriétés de cristal liquide thermotropique sont décrits dans les brevets US 4 272 625, 4 330 457, 4 351 917, 4 351 918,

4 341 688, 4 355 132 et 4 339 375 cités comme références.

Comme on le décrira par la suite, le poly(ester-amide) du brevet US 4 330 457 est particulièrement préféré pour

être utilisé dans la présente invention.

Les polyazométhines aromatiques représentatives

qui présentent des propriétés de cristal liquide thermo-

tropique sont décrites dans les brevets US 3 493 522,

3 493 524, 3 503 729, 3 516 970, 3 516 971, 3 526 611,

4 048 148 et 4 122 070. Chacun de ces brevets est cité comme référence en son entier. Des exemples spécifiques

de tels polymères comprennent le poly(nitrilo-2-méthyl-

1,4-phénylènenitriloéthylidyne-1,4-phénylèneéthylidyne),

le poly-(nitrolo-2-méthyl-1,4-phénylènenitrilométhylidyne-

1,4-phénylèneméthylidyne); et le poly(nitrolo-2-chloro-

1,4-phénylènenitrilométhylidyne-1,4-phénylèneméthylidyne).

Les polyesters-carbonates aromatiques représen-

tatifs qui présentent des propriétés de cristal liquide thermotropique sont décrits dans les brevets US 4 107 143 et 4 284 757, et 4 371 660 cités ici en référence. Des exemples de tels polymères comportent ceux consistant essentiellement en unités p-oxybenzoyle, p-dioxyphényl

dioxycarbonyleet téréphtol.

Un polymère en cristal liquide thermotropique

est choisi communément pour être utilisé dans la fabri-

cation de dispositifs de fixation selon la présente invention qui utilise une température de fusion dans un intervalle qui permet d'extruder la matière fondue tout

en employant des équipements du commerce.

Par exemple, les polymères en cristal liquide thermotropique qui sont usuellement choisis ont une température de fusion comprise approximativement entre

250 et 400 C.

Les polymères en cristal liquide thermotropique choisis ont une viscosité d'au moins 2,0 dl/g lorsqu'ils sont dissous à une concentration de 0,1% en poids dans du pentafluorophénol à 60 C (soit une viscosité d'environ

1 à 15 dl/g).

Le polyester entièrement aromatique particulière-

ment préféré pour la présente invention est celui décrit

dans le brevet US 4 161 470 qui est susceptible de pré-

senter une phase de fusion anisotropique à une tempéra-

ture en-dessous d'environ 350 C. Ce polyester est

constitué essentiellement par les parties récurrentes-

I et II ci-après. 0

I:_ 0 C-

0

Il

II: - 0 C -

Le polyester comporte approximativement 10 à 90 moles % de partie I et 10 à 90 moles % de partie II. Selon un mode de réalisation,la partie II est présente à.environ /85 moles %, de préférence 70/80 ou mieux 73. Selon un autre mode de réalisation, la partie II est présente dans une proportion inférieure d'environ 15 à 35 moles %, de préférence 20 à 30. De plus, au moins quelques atomes d'hydrogène se trouvant sur l'anneau peuvent à volonté être remplacés par substitution d'un groupe constitué par un groupe alkyle de 1 à 4 atomes de carbone, d'un groupe alkoxy de 1 à 4 atomes de carbone, un halogène, phényle, phényl substitué, ou leurs mélanges. Un tel polymère a de préférence une viscosité d'environ 3,5 à 10 dl/g lorsqu'il est dissous dans une concentration de 0,1% en poids de

pentafluorophénol à 60 C.

Le poly(ester-amide) entièrement aromatique ou le poly(ester-amide) aromatique-aliphatique préférés sont décrits dans le brevet US 4 330 457 qui est susceptible de

présenter une phase en fusion anisotropique à une tempéra-

ture inférieure à environ 400 C. Les poly(ester-amides) qui

y sont décrits sont constitués essentiellement par les par-

ties récurrentes I, II et III et essentiellement IV dans lesquelles

I:..-..0

II: C - A - C o A est un radical bivalent comportant au moins un noyau aromatique ou un

radical bivalent trans-1,4-cyclohexylène.

III: Y - AR - Z 3 o Ar est un radical bivalent comprenant au moins un noyau aromatique, Y est O, NH ou NR et Z est NH ou NR, R étant un groupe alkyle

de 1 à 6 atomes de carbone ou un groupe aryle.

IV: O - Ar' - O] o Ar' est un radical bivalent comportant au moins un noyau aromatique, et dans lesquels au moins certains atomes d'hydrogène des anneaux peuvent à volonté être remplacés par une substitution consistant d'un groupe alkyle de 1 à 4 atomes de carbone, un groupe alkoxy de 1 à 4 atomes de carbone, un halogène, phényle, phényl substitué ou leurs mélanges et dans lesquels lesdits poly(ester-amides) comportent environ de 10 à 90 moles % de la partie I,

environ de 5 à 45 moles % de la partie III, et approxi-

mativement de 0 à 40 moles % de la partie IV. De préfé-

rence la partie II, aryle dicarboxy est

O O

-CC -

et la partie III est

- NH 0- ou bien -NH NH-

et la partie IV est

- 0-0 -

Un tel polymère a de préférence une viscosité d'environ 1,0 à 15 dl/g lorsqu'il est dissous dans une concentration

de 0,1 % en poids dans du pentafluorophénol à 60 C.

Lorsqu'on forme les articles de la présente invention en moulage par injection, on peut utiliser des appareils d'injection conventionnels. Les appareils d'injection convenables comportent la machine à mouler

par injection automatique de Stubbe, modèle SKM 50/45.

Les conditions de température et de pression choisies pour mouler par injection le polymère en cristal liquide thermotropique fondu, sont influencées par la température de fusion du polymère et sa viscosité, comme il est évident pour l'homme de l'art. De façon typique, on choisit des températures de moulage par injection d'environ 5 C à environ 50 C audessus de la température de fusion du polymère et des pressions d'environ 140 à 1400 kg/cm2. Le terme "température de fusion" utilisé ici signifie la température à laquelle le polymère a une viscosité suffisamment basse pour fluer de façon adéquate

dans le processus de fusion.

Dans le moulage par injection du polymère en cristal liquide, le produit en fusion s'écoule dans la cavité de façon laminaire, chaque strate de la fusion

s'écoulant de façon uniforme sans qu'il n'y ait pratique-

ment de mélange entre les strates. Lorsque cet écoulement

heurte l'extrémité avant de la cavité et rebondit, l'écou-

lement laminaire à cette extrémité cesse du fait de cette interférence entre les ondes moléculaires du rebond. Du fait que les propriétés mécaniques du polymère en cristal liquide moulé sont en relation directe avec le degré d'arrangement ordonné des molécules dans chaque couche, cet écoulement inverse peut être la cause de points de faiblesse structurelle dans l'article moulé, lui faisant

perdre ses propriétés mécaniques.

Si on le désire, on peut placer un évent à l'extrémité aval de la cavité qui permet au matériau fondu de couler hors de la cavité, empêchant ainsi le rebond indésirable du mouvement moléculaire dans la cavité. Selon une réalisation préférée, un passage communique avec la sortie aval de façon à recevoir le matériau fondu. Cette technique est décrite dans les brevets US 414 558 et 414 560 (n de dépôt), tous deux

du 3 Septembre 1982.

Lorsque l'article moulé est retiré du moule, la saillie de matière qui se solidifie dans le passage peut être séparée de l'article. On préfère retirer plus que la saillie de matière et retirer au moins une partie de la matière de la tige elle-même. Les articles moulés et coupés selon la dernière réalisation possèdent des propriétés mécaniques supérieures à celles des articles

moulés avec la saillie coupée conventionnellement.

Les dispositifs de fixation selon la présente invention peuvent aussi être formés en extrudant en fusion un élément allonge, en coupant celui- ci à une longueur désirée et en formant ensuite une tête sur la tige. La tige peut aussi être extrudée comme un élément tubulaire allongé. Lorsque l'on forme l'élément allongé extrudé en fusion, à partir duquel la tige est coupée, on peut utiliser un appareil d'extrusion en fusion conventionnel, une filière d'extrusion étant choisie avec une taille et une forme correspondant à la section droite de l'élément allongé à former, à cette exception près que les dimensions de l'orifice seront plus grandes que

celles de l'élément allongé résultant en vue de l'étire-

ment du polymère fondu qui se produit immédiatement après l'extrusion. Les polymères autres que les polymères en cristal liquide thermotropique sont reconnus aptes à l'extrusion à l'état fondu pour former des articles

ayant la section droite décrite ici, le profil correspon-

dant étroitement à la forme de la filière. De ce fait, les polymères en cristal liquide thermotropique n'ont pas tendance à se recourber élastiquement comme à la sortie de la filière comme les polymères conventionnels

qui sont extrudés à l'état fondu. Des appareils d'extru-

sion appropriés sont décrits, par exemple dans l'ouvrage intitulé "Plastics Engineering Handbook" de la Society of the Plastic Industry, pages 156 à 203, 4ème Edition,

édité par Joel FRADOS, Van Monstrand Reinhold Cy, 1976.

Les éléments allongés de la présente invention peuvent, à volonté, être réalisés selon les indications contenues dans le brevet US 4 332 759 de YOSHIAKI IDE, intitulé

"Procédé d'extrusion de polymère en cristal liquide".

Les conditions de température et de pression choisies pour extruder le polymère en cristal liquide thermotropique seront influencées par la température de fusion du polymère et sa viscosité, de façon évidente pour l'homme du métier. De façon usuelle, on choisira des températures d'extrusion comprises entre 0 et 30"C au-dessus de la température de fusion du polymère et des pressions de 7 à 350 kg/cm2. De façon à induire une orientation moléculaire importante correspondant à la longueur de l'élément allongé, l'extrudat est étiré

lorsqu'il est en phase fondue immédiatement après l'ori-

fice d'extrusion et avant complète solidification.

L'importance de cet étirement est influencée par la vitesse d'enroulement à laquelle l'élément en élongation est enroulé ou recueilli sur un dispositif de réception approprié. Le rapport résultant d'étirement est défini comme étant le rapport de la section de la filière sur la section de l'extrudat après solidification. Ces rapports varient dans une proportion de 4 à 100, de préférence à 50 lorsque l'on utilise l'équipement décrit dans

les exemples.

En plus de l'étirement, on applique à l'extrudat

un refroidissement entre l'orifice d'extrusion et l'en-

droit o il est recueilli au moyen de tout fluide refroidissant approprié, gazeux ou liquide. Par exemple, l'extrudat peut être mis en contact avec un jet d'air ou de gaz ou immergé dans un bain d'eau ou autre liquide

maintenu à la température désirée pour obtenir la soli-

dification. Il en résulte une section dont la configuration est pratiquement uniforme et peut être inspectée au moyen d'un laser ou autre appareil de mesure pour assurer un contrôle de qualité analogue à celui exigé dans l'industrie des fibres optiques. Les éléments allongés destinés à l'usage comme tiges ont un diamètre d'au moins 0,16 cm à 1,28 ou plus, si besoin est d'environ

0,32 à 0,64 cm.

Lorsqu'on examine de près les sections des fixateurs moulés ou extrudés ayant les caractéristiques voulues, on constate une peau fortement orientée et une âme qui l'est moins. Ceci peut être détecté au moyen de micrographies à polarisation croisée, d'un scanner ou d'autres moyens de microscopie. On a découvert que les qualités des fixateurs étaient en corrélation directe

avec l'épaisseur de la peau.

En se reportant aux figures, on voit que la figure 1 situe un mode de rupture par cisaillement sur une tige 2 d'un rivet 3 duquel ce phénomène de peau orientée se rapporte particulièrement. Les figures 2 et 3 montrent une vue en coupe de la tige 2, la "réelle" peau externe 11, les couches de peau interne 12 et une âme centrale non-orientée 13. Les couches de peau interne 12 sont constituées de macrofibres 14 d'un diamètre

d'environ 5 microns, des fibres 15 d'un diamètre d'envi-

ron 0,5 micron et des microfibres 16 d'un diamètre

d'environ 0,05 micron.

Le terme "peau" est utilisé pour désigner aussi bien la surface externe que la zone sous-jacente également orientée. Le modèle structurel pour les zones internes sous-jacentes est une répartition hiérarchique de la contexture des fibres allant de 5 microns jusqu'à 5 nanomètres. Les fibresles plus fines observées, à un niveau moléculaire, sont des microfibres comprises entre 5 et 50 nanomètres. Cette texture microfibrillaire est associée dans des unités fibrillaires (fibrilles) qui sont de taille supérieure, à savoir environ 0,5 micron. Des macrofibres d'une dimension d'environ 5 microns sont également présentes. En conséquence, cette hiérarchie de texture caractérise la structure fibrillaire, ou à fibres, allongée et fortement orientée de la peau qui confère au produit ses propriétés physiques et chimiques.

Différents mécanismes sont censés être respon-

sables de la formation de cette peau. Ce sont:

(a) tension superficielle du produit fondu; (b) distri-

bution radiale de l'effort total de cisaillement; et

(c) effort d'allongement à la sortie de la filière.

L'épaisseur de la peau basée sur les mécanismes précités doit être au moins égale à 5% de la section d'un fixateur

désiré et de préférence au moins 10% de cette section.

Ainsi, un fixateur ayant une tige de 0,64 cm aura une

peau orientée d'au moins 0,03 cm et de préférence envi-

ron 0,06 cm pour être utilisable. De ce fait, l'orientation

peut être augmentée en étirant la tige de fixateur extru-

dée; en modifiant les conditions du moulage, par exemple en utilisant un ensemble "doux" de conditions, tel

que des températures de fusion et de moulage relative-

ment basses et des pressions et vitesses d'injection telles qu'utilisées habituellement dans les techniques de moulage. Si l'on considère l'estimation de l'épaisseur de la peau ainsi que la sensibilité de l'orientation aux efforts d'allongement, le mécanisme (c) causéepar une modification de la rapidité semble bien responsable de la morphologie du coeur de la peau. La tête du dispositif de fixation est formée par technique conventionnelle en utilisant de l'énergie sonore ou ultrasonore, et dans

certains cas une application de chaleur.

Si le dispositif de fixation est conformé en boulon, vis, clou ou analogue, les filetages, les dentures et autres modifications de la forme peuvent être prati- quées en utilisant des techniques conventionnelles de

formage d'articles en matière plastique.

Si on le désire, les propriétés physiques telles que la résistance au cisaillement, à l'étirement et l'élongation, des dispositifs de fixation solidifiés, préalablement formés en polymères en cristal liquide thermotropique, peuvent être augmentées par un traitement à chaud à une température inférieure à la température de fusion dudit polymère pendant un temps suffisant pour élever sa température de fusion d'au moins 10 C. Par exemple, l'élément allongé peut être chauffé à une température inférieure à celle de fusion en présence d'azote ou autre atmosphère contrôlée jusqu'à 24 h à une

* température élevée dans une limite de 5 C de la tempé-

rature de fusion du polymère.

Selon la présente invention si les fixateurs sont des rivets, on peut en former la tête par les moyens habituels. Par exemple, on peut réaliser des rivets à tête plate (ou tête fraisée) par soudure à haute pression, la matière étant seulement ramollie par application d'ultrasons qui ne provoquent pas de fusion. Les rivets à tête ronde peuvent être réalisés par emmanchement ou par

emmanchement soudé, la tête étant une pièce séparée ajoutée.

Il est aussi possible d'obtenir une expansion du rivet dans le trou en dirigeant des ultrasons au-delà de la

surface du rivet ou bossage faisant saillie et en ramol-

lissant le corps dudit rivet.

Pour celà on utilise des appareils à ultrasons de types connus du genre à 20 ou 40 kHz; ces appareils

étant familiers aux spécialistes.

Dans la pratique, la tête de rivet est obtenue

en faisant saillir le rivet à travers les pièces à assem-

bler et en appliquant une énergie sonique ou ultrasonique aux parties émergeantes. Cette énergie, convenablement appliquée, changera la forme desdites parties et ainsi

assurera la fixation des pièces travaillantes.

Plus précisément les parties émergeantes devront avoir une hauteur suffisante pour qu'il y ait assez de

matière pour former les têtes de rivet. L'énergie ultra-

sonique est obtenue en plaçant un élément de couplage adjacent au bout de la partie émergeante et en faisant vibrer cet élément de couplage à haute fréquence pour le

faire battre contre cette extrémité. L'énergie ultrasoni-

que est ainsi appliquée dans la partie émergeante de façon à la chauffer et la rendre propre au fluage de

telle sorte que cette extrémité est matée par le martèle-

ment de l'élément de couplage.

Les propriétés physiques du dispositif de fixation

en polymère au cristal liquide thermotropique sont consi-

dérées comme uniques et totalement inégalables avec d'autres polymères capables de subir l'opération de

formage, c'est-à-dire le moulage par injection ou l'extru-

sion à l'état de fusion décrite ici.

La résistance au cisaillement des dispositifs

en polymère en cristal liquide thermotropique est extrê-

mement élevée et est d'au moins 700 kgp/cm2 (soit entre 700 et 3 500 kgp/cm2 et plus). Une telle résistance au cisaillement peut être déterminée de façon satisfaisante selon le procédé standard ASTM B 565-76. De ce fait, les dispositifs de fixation de la présente invention possèdent

une tendance remarquable à résister aux efforts de cisail-

lement d'une amplitude qui endommagerait gravement les

dispositifs de fixation formés en matériaux thermoplas-

tiques conventionnels.

La résistance à l'étirement des dispositifs de fixation en polymère en cristal liquide thermotropique est également élevée et est d'au moins 1 400 kgp/cm2 (soit de 1 400 kgp/cm2 à 7 000 kgp/cm2 et plus). Une telle résistance à l'étirement peut être déterminée de façon satisfaisante selon le procédé standard ASTM D 638

avec une jauge d'efforts d'environ 23 C.

La résistance chimique des dispositifs de fixa-

tion en polymère en cristal liquide thermotropique de la présente invention est montrée en exemple par les

données présentées dans les tableaux IA et IB suivants.

La résine à partir de laquelle les dispositifs de fixation sont fabriqués a été exposée pendant 30 jours aux acides hydrochlorique, chromique, nitrique et sulfurique, à l'hydroxyde de sodium et une solution de plaquage à

différentes températures.

TABLEAU IA

Polymère en cristal liquide(C) résistance chimique jours d'exposition Résistance à Module Résistance à Module de Change l'étirement d'étirement la flexion flexion Dimension % x103PSI x10ePSI xIO3PSI X10PSI poids % Acide hydrochlorique (37%) a Température de la pièce 26 1,5 23 1,5 NC<2

X 190 F 26 1,5 23 1,4 NC

Acide chromique (70%) 9 Température de la pièce 27 1,1 23 1,4 NC

C 190 F 27 1,4 24 1,4 NC

Acide nitrique (70%) * Température de la pièce 26 1,5 23 1,4 NC a 1900F 26 1,5 23 1,4 NC Hydroxyde de sodium (50%) X Température de la pièce 28 1, 2 22 1,2 NC

C 190 F 28 1,5 21 1,3 NC

Solution de:placage QTempérature de la pièce 26 1,7 24 1,6 NC

C 190 F 25 1,2 24 1,5 NC

Contrôle (Air) Q Température de la pièce 24 1,1 23 1,4 NC

C 190 F 25 1,5 23 1,3 NC

<1) Voir Exemple 1 pour composition de A Change inférieur à +1% la matière to ro un o L. U4 Jh

TABLEAU IB

Polymère en cristal liquide(1) résistance chimique jours d'exposition Résistance à Module Résistance à Module de Change L'étirement d'étirement la flexion flexion Dimension % x1O3pSI x106PSI xO13PSI x106PSI poids % Acide sulfurique Température de la pièce

37% 25 1,0 24.1,4 NC

% 24 1,0 24 1,3 NC

93% 27 0,9 24 1,3 NC

Air (Contrôle) 22 1,0 23 1,4 NC F

37% 26 1,5 21 1,4 NC

% 27 1,6 21 1,4 NC

% 28 1,4 20 1,2 NC

Air (Contrôle) 25 1,4 21 1,3 NC 2500P

37% 27 1,5 23 1,2 NC

% 27 1,5 23 1,0 NC

93% 26 1,5 20 -1,0 1,92

Air (Contrôle) 27 1,5 20 0,9 NC 3750F

% 25 1,5 23 1,2 NC

93% 27 1,6 22 1,1 1,0 o(2> Air (Contrôle) 26 1,4 22 0,9 NC i,,., (1) Voir Exemple i pour composition de

( Gain de poids.

la matière Il N) U9 cU Co w J-

De plus, les dispositifs de fixation en poly-

mère en cristal liquide selon la présente invention se sont avérés présenter une propriété de coefficient de dilatation linéaire thermique satisfaisante, au contraire des dispositifs métalliques présentement utilisés et autres

dispositifs de fixation en matière plastique, qui en géné-

ral sont inutilisables à cause de cette rupture. Avanta-

geusement, les matériaux présentent un coefficient de dilatation thermique linéaire dont la valeur est à peu près nulle et peut être négative. Les valeurs remarquables pour les polymères non remplis, en lesquels sont faits les fixateurs selon l'invention, s'étendant d'environ -5 -3 x 10 (cm/cm C). Des valeurs illustrant cela sont données ci-dessous en comparaison avec des matériaux

concurrents, o "C" représente le coefficient de dilata-

tion thermique linéaire.

C x 10-5 (cm/cm C) Polymère en cristal liquide (exemple 1) 0,3 à -2,4 Aluminium 2,4 Titane/niobium 0,8 Nylon 7,2 Résine Rynite 530 PET 2,4 à 3, 6 Résine polyétherimide Ultem 2300 2,9 Résine sulfure de polyphénylène Ryton R-4 1,9 De nombreux agents de remplissage et/ou de

renforcement peuvent être introduits dans une concentra-

tion totale d'environ 0% à 50% et plus en poids du composé moulé résultant. Les fibres représentatives qui peuvent servir de renforcement comprennent les fibres de verre, d'amiante, les fibres de carbone graphitiques, les fibres de carbone amorphe, les fibres de polymères synthétiques, les fibres d'aluminium, les fibres de silicate d'aluminium, les fibres d'oxyde d'aluminium, les fibres de titane, les fibres de bore, les fibres de magnésium, les fibres de laine de roche, les fibres d'acier, les fibres de tungstène, le coton et les fibres de cellulose, etc... Si on le désire, les renforcements aux fibres peuvent être préalablement traités pour améliorer les qualités d'adhérence aux poly- mères en cristal liquide qui servent à la fin de phase

matricielle continue. Les matériaux de remplissage repré-

sentatifs comprennent le silicate de calcium, la silice, l'argile, le talc, le mica, le polytétrafluoroéthylène, !0 le graphite, le trihydrate d'aluminium, le sodium aluminium

carbonate, le baryum, la ferrite, etc...

La présente invention préfère une matrice en polymère en cristal liquide thermotropique dans laquelle sont incorporées des fibres de verre de renforcement pour préparer le composé à mouler utilisé dans les dispositifs

de fixation.

Les exemples suivants sont présentés pour illus-

trer l'invention. Il est clair toutefois que l'invention n'est pas limitée aux détails spécifiques présentés dans

les exemples.

EXEMPLE 1

Un polyester entièrement aromatique présentant des propriétés de cristal liquide thermotropique a été choisi pour être utilisé dans la formation de dispositifs de fixation extrudés en fusion (moulés par injection) selon la présente invention. Le polyester entièrement aromatique a été formé selon les enseignements du brevet US 4 161 470 et consistait en 73 moles % d'unités de p-oxybenzoyle récurrent et 27 moles % d'unités de 6oxy-2-naphtoyle récurrent de polyester entièrement aromatique,présentait une viscosité intrinsèque de 8,4 dl/g lorsqu'il était dissous dans une concentration de 0,1% en poids dans du pentafluorophénol à 60 C, et une pointe de température

de fusion mesurée par balayage calorimétrique de 289 C.

EXEMPLE 2

L'exemple 1 a été pratiquement repris à l'excep-

tion de l'emploi d'un poly(ester-amide) entièrement aroma-

tique et de conditions d'extrusion différentes. De façon plus précise le poly(ester-amide) entièrement aromatique a été fabriqué selon les indications du brevet US 4 330 457 à 60 moles % d'acide 6-hydroxy-2naphtonique à 20 moles % d'acide téréphtalique et 20 moles % de paminophénol. Le poly(ester-amide) ainsi obtenu avait une viscosité de 4, 41 dl/g en dissolution dans une concentration de 0,1% en poids de pentafluorophénol à 60 C et une pointe de température de fusion mesurée par balayage calorimétrique

de 2840C.

EXEMPLE 3

Cet exemple présente une comparaison des pro-

priétés de résistance à la tension et au cisaillement des polymères selon l'invention avec des métaux employés de façon courante dans l'industrie. Les matériaux additionnés

de charge des exemples 1 et 2 sont comparés avec des allia-

ges d'aluminium, de titane et de niobium. Les masses spécifiques des matériaux sont indiquées ainsi que les rapports force/poids. La comparaison de ces valeurs est en faveur des polymères. Lorsque l'on considère la résistance aux agents chimiques et à la corrosion galvanique, les polymères en cristal liquide peuvent être considérés

comme supérieurs pour de nombreux usages.

TABLEAU II

Matériau du fixateur Propriété Test Alt liage ASTM Exempte 1 Exempte 2 Aluminium titane/ niobium Résistance à l'étirement, kgp/cm2 D 638 1680 1820 4550 6650 Double cisaillement, 106 x kg/cm2 B 565-76 1,05 1,33 2,1 3, 43

....,,...DTD: Masse spécifique D 742 1,40 1,40 2,7-2,8 6,2 Résistance (double cisaillement) par rapport au poids 10,7 13,6 10,9 7,9

I,__ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _,__ _ _ _

Dl Ul No Oe U4 J1

EXEMPLE 4

Des tiges ou biellettes d'un diamètre de 0,64 mm de quatre différents matériaux ont été testés en double cisaillement. Les résultats montrent un net avantage pour les polymères selon l'invention. Ces matériaux étaient du Nylon - une résine polyamide (33% fibres de verre et nylon) du Rynite 530 (30% fibres de verre) - une résine polyéthylène téréphtalate fabriquée par E.I. du Pont de Nemours; de l'Ultem 2300 (30% fibres de verre) - une résine polyétherimide fabriquée par General Electric Corp.;

et du Ryton R-4 (40% fibres de verre) - une résine poly-

phénylène sulfide fabriquée par Philips Petroleum. Les résultats sont exposés ci-après en comparaison avec le polymère de l'exemple 1. Il faut noter qu'en plus des avantages concernant la résistance au cisaillement les polymères en cristal liquide ont une résistance aux agents chimiques supérieure à celles de tous les autres sauf le

Ryton et une résistance à la traction supérieure.

Matériau Force de cisaillement (kg/cm2) Nylon 994 Rynite 530 692 Ultem 2300 925 Ryton R-4 845 Polymère exemple 1 1 228 Polymère exemple 2 1 268

EXEMPLE 5

Les coefficients linéaires de dilatation thermi-

que ont été déterminés sur des rivets moulés à partir du polymère en cristal liquide de l'exemple 1. Les essais ont été effectués en attachant un extensiomètre de 2,5 cm à la tige du rivet et en plaçant la jauge dans un four. La température de la pièce à 150 C par pas d'environ 25 C, la température du fours'élevant d'environ 2 C par

minute entre les pas.

Les coefficients de dilatation thermique, suivants furent atteints: Echantillon Dilatation thermique Cx10-5(cm/cmC) Dilatation thermique C x10 (cm/cm0C) Rivet à tête ronde de 0,64 cm Rivet à tête plate de 0,48 cm 0,9 - 1,0

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de fixation, d'une seule pièce en un polymère en cristal liquide thermotropique comportant une tête (3) et une tige axiale relativement rigide (2) apte à être introduite dans l'ouverture d'une pièce d'usinage, caractérisé par une résistance au cisaillement d'au moins environ 700 kgp/cm2, une résistance à l'étirement d'au

moins 1 400 kgp/cm2 et un coefficient de dilatation ther-

mique linéaire sensiblement négatif.

2. Dispositif de fixation selon la revendication 1,

caractérisé en ce qu'il a une peau fortement orientée.

3. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seconde tête est positionnée

sur ladite tige axiale.

4. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que des filaments sont disposes sur la

surface extérieure de ladite tige.

5. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête et la tige sont creuses le

long de son axe linéaire.

6. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère en cristal liquide thermotropique a une viscosité propre d'environ 1,0 à environ 15 dl/g lorsqu'il est dissous à 60 C dans une

concentration de 0,1% en poids de pentafluorophénol.

7. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère en cristal liquide thermotropique est choisi dans le groupe comprenant un

polyester entièrement aromatique, un polyester aromatique-

aliphatique, un poly (ester-amide) entièrement aromatique,

un poly(ester-amide) aromatique-aliphatique, un polyazomé-

thine aromatique, un polyester carbonate aromatique, et

des mélanges de ceux-ci.

8. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère en cristal liquide thermotropique est choisi dans le groupe comprenant un polyester entièrement aromatique, un poly(ester-amide) entièrement aromatique, un poly(ester-amide) aromatique-

aliphatique et des mélanges de ceux-ci.

9. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère en cristal liquide est

un poly(ester-amide) pouvant subir une fusion pouvant for-

mer une phase de fusion anisotrope à une température

inférieure à approximativement 400 C comprenant essentiel-

lement des parties répétitives I, II, III et éventuellement

IV, dans lesquelles -

o IlI I st 0lest 0 O- II est C - A - C o A est un radical divalent comprenant au moins un anneau aromatique ou un radical divalent trans-1,4cyclohexylène; III est Y - A- Z 3 o Ar est un radical divalent comprenant au moins un anneau aromatique, Y est O, NH ou NR et Z est NH ou NR, o R est un groupe alkyle de 1 à 6 atomes de carbone ou un groupe aryle; et IV est [ 0 - Ar' - O* o Ar' est un radical divalent comprenant au moins un anneau aromatique; dans lequel au moins quelques atomes d'hydrogène présents sur les anneaux peuvent éventuellement être remplacés par une substitution choisie dans le groupe comprenant un groupe alkyle de 1 à 4 atomes de carbone, un groupe alcoxy de 1 à 4 atomes de carbone, un halogène, un phényle,

et des mélanges de ceux-ci, et dans lequel le poly(ester-

amide) comprend approximativement 10 à 90 moles % de la partie I, approximativement 5 à 45 moles % de la partie II, approximativement 5 à 45 moles % de la partie III, et

approximativement 0 à 40 moles % de la partie IV.

10. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce ce que le polymère en cristal liquide thermotropique est un polyester entièrement aromatique pouvant subir une fusion et pouvant former une phase de fusion anisotropique à une température inférieure à environ 400 C, comprenant essentiellement les parties

répétitives I, II et III, qui peut comporter une substi-

tution d'au moins quelques-uns des atomes d'hydrogène présents sur un anneau aromatique, parmi lesquels: Iest C II est une partie dioxy-aryle de formule O - Ar - O o Ar est un radical divalent comprenant au moins un anneau aromatique et III est une partie dicarboxy-aryle de formule

O O

{EC -Ar' -CJ o Ar' est un radical divalent comprenant au moins un anneau aromatique avec ladite substitution éventuelle, si elle y est, choisie dans le groupe comprenant un groupe alkyle de i à 4 atomes de carbone, un groupe alcoxy de 1 à 4 atomes de carbone, un halogène, un groupe phényle et des mélanges de ceux-ci, et o le polyester comprend

approximativement 10 à 90 moles % de la partie I, approxi-

mativement 5 à 45 moles % de la partie II, et approxima-

tivement 5 à 45 moles % de la partie III.

11. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère en cristal liquide thermotropique est un polyester entièrement aromatique pouvant subir une fusion, capable de former une phase fondue thermotropique à une température inférieure à approximativement 350 C, comprenant essentiellement les

'83834

périodiques I et II qui peuvent comporter une substitu-

tion d'au moins quelques-uns des atomes d'hydrogène pré-

sents sur un anneau aromatique, dans lequel i I est C, et --0 II est- 0 I

0 0

avec ladite substitution éventuelle choisie dans le groupe comprenant un groupe alkyle de 1 à 4 atomes de carbone, un groupe alcoxy de 1 à 4 atomes de carbone, un halogène, un phényle, et des mélanges de ceux-ci, et o ledit polyester comprend approximativement 10 à 90 moles % de la partie I, et approximativement 10 à 90% de

la partie II.

12. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé par un coefficient de dilatation thermique linéaire négatif d'environ 0 à environ -3,0 x 10-5 cm/m C